各种铁素体不锈钢管焊接接头晶间腐蚀的原因主要有以下几点:
一、普通纯度高铬铁素体型不锈钢管
①. 晶间腐蚀的部位
普通纯度高铬铁素体不锈钢管焊接接头在焊接热循环的作用下,被加热到950℃以上的温度区域冷却时,会在晶间产生腐蚀的倾向。而后若在700~850℃进行短时间保温退火处理,又可恢复其耐蚀性。所以,焊接接头产生晶间腐蚀的位置是紧挨着焊缝的高温区。而奥氏体不锈钢管焊接接头的晶间腐蚀区是在最高温度为600~1000℃的区域,即晶间腐蚀的部位稍稍离开焊缝的区域。
②. 晶间腐蚀的机理
普通纯铁素体型不锈钢焊接接头的晶间腐蚀机理与奥氏体型不锈钢焊接接头晶间腐蚀的机理相同,均认为符合贫铬理论。铁素体型不锈钢管一般在退火状态下焊接,其组织为固溶微量碳和氮的铁素体及少量均匀分布的碳和氮的化合物,组织稳定,耐蚀性较好。当焊接温度高于950℃时,碳、氮的化合物逐步溶解到铁素体相中,得到碳、氮过饱和固溶体。由于碳、氮在铁素体中的扩散速度比在奥氏体中快得多,在焊后冷却过程中,甚至在淬火冷却过程中,都来得及扩散到晶界区。加之晶界的碳、氮的浓度较高于晶内,故在晶界上沉淀出(Cr,Fe)23C6碳化物和Cr2N氮化物。由于铬的扩散速度慢,导致在晶界上出现贫铬固溶区。在腐蚀介质的作用下即会出现晶间腐蚀。由于铬在铁素体中的扩散比在奥氏体中快,故为了克服焊缝高温区的贫铬带,只需在700~900℃短时间保温,即可使过饱和的碳和氮完全析出,而铬又来得及补充到贫铬区,从而恢复到原来的耐蚀性。若在600℃较长时间保温或焊接接头自900℃以上缓慢冷却,使碳化物、氮化物充分析出,达到或接近钢材退火状态下固溶的碳和氮含量的平衡值时,仍能保持其耐蚀性。
二、高纯度高铬铁素体不锈钢管
①. 晶间腐蚀倾向腐蚀机理
高纯度高铬铁素体不锈钢管也有产生晶间腐蚀倾向。其腐蚀机理与奥氏体不锈钢管晶间腐蚀一样,虽有多种说法,但仍可以用贫铬理论来解释。
②. 热处理对晶间腐蚀的影响
热处理对超高纯度高铬铁素体不锈钢管(00Cr26Mo1)晶间腐蚀率的影响见表5-1。从表中可知:该钢从1100℃水淬与普通高铬铁素体不锈钢不同,腐蚀率很低,不产生晶间腐蚀,晶界上没有高铬碳、氮化物析出;而在1100℃空冷,腐蚀率很高,晶界上析出了大量的高铬碳和氮化物,有晶间腐蚀。经1100℃ x 30min水淬的试件,然后分别进行15min 保温和900℃的水淬,晶界上均有高铬碳、氮化物析出,但腐蚀率比1100℃空冷低,且没有晶间腐蚀。说明晶界上析出的高铬碳、氮化物与晶间腐蚀没有相对关系(腐蚀介质为硫酸铁-硫酸溶液)。
表5-1热处理对超高纯度高铬铁素体不锈钢管(00Cr26Mol)晶间腐蚀速率的影响
③. 敏化临界温度区与临界敏化时间区
高纯度高铬铁素体不锈钢管主要化学成分有Cr、Mo和C、N。其中C+N总含量不等,都存在一个晶间腐蚀的敏化临界温度区,即超过或低于此区域不会产生晶间腐蚀。同时还有一个临界敏化时间区,即在这个区时间之前的一段时间,即使在敏化临界温度区也不会产生晶间腐蚀。由此可知:超高纯度高铬铁素体不锈钢必须满足既在敏化临界温度区,又在临界敏化时间区内才有可能产生晶间腐蚀。例如,C+N总的体积分数为106×10-6的26Cr合金,其敏化临界温度区为475~600℃。由于C+N总含量很低,在温度为600℃以上时,晶界上没有足够的能引起贫铬和增加腐蚀率的富铬碳、氧化物沉淀,又由于其离开临界敏化时间区很远,该合金由950℃和1100℃水淬或空冷,虽说冷却过程中都经过敏化临界温度,但仍可保持良好的耐蚀性。C+N总含量的提高,不仅扩大了敏化临界温度的区域,同时临界敏化时间区也朝前移动,即形成晶间腐蚀的时间提前了。通常超高纯度高铬铁素体不锈钢在固溶状态下焊接。有资料提出,这类钢的C+N总的质量分数至少要低于60×10-6,才能避免敏化。
三、晶间腐蚀与其合金元素的含量有关系
无论普通纯度高铬铁素体型不锈钢管,还是高纯度的铁素体型不锈钢管,焊接接头的晶间腐蚀倾向都与其合金元素的含量有关。
①. 碳和氮的影响
随着钢中碳和氮的总含量降低,晶间腐蚀倾向减少。
②. 铬的影响
铬含量的提高,自身的扩散速度加快,碳和氮扩散速度降低,总的效果是敏化区推向更长的时间和较低的温度,即高铬铁素体不锈钢引起晶间腐蚀的敏感性要低于低铬铁素体不锈钢。
③. 钼的影响
钼可以降低氮在高铬铁素体不锈钢的扩散速度,有助于临界敏化时间向后移动较长的时间,因此含有钼的高铬铁素体不锈钢具有较高的抗敏化性能。
④. 钛和铌的影响
合金元素钛和铌为稳定化元素,能优先于铬和碳、氮形成化合物、可避免贫铬区的形成,提高其抗晶间腐蚀能力,但要求钛的含量为碳和氮总含量的6~8倍,铌的含量为碳和氮总含量的8~11倍,才能达到效果。钛不仅可以改善焊接热影响区的晶间腐蚀倾向,同时还可以稳定铁素体,防止出现马氏体组织。